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Die Offenbarung bezieht sich auf den Bereich der elektrischen Maschinen, insbesondere auf Systeme, Verfahren und Vorrichtungen mit mindestens einem gegossenen Kern.
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Rotierende elektrische Maschinen, wie beispielsweise Motor-Generator-Einheiten, beinhalten einen Stator, der einen Rotorkörper umschreibt. Die Herstellung von Statoren beinhaltet im Allgemeinen das Stapeln von laminierten Elektroblechen und das Einsetzen von Statorwicklungen in Nuten innerhalb des Stators. Dementsprechend werden Fertigungstoleranzen sowie andere Bearbeitungs- und Konstruktionsüberlegungen eingeführt, um das Einsetzen der Statorwicklungen zu ermöglichen.
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Darüber hinaus können zusätzliche Prozesse erforderlich sein, um die Wicklungen nach dem Einsetzen abzuschließen. So können beispielsweise Endwicklungen geschweißt oder anderweitig verbunden werden müssen, um den Wicklungskreis zu bilden. Dies erhöht die Fertigungsüberlegungen durch die Einschränkung des Werkzeugdesigns und erhöht die Gesamtgröße der resultierenden elektrischen Drehmaschine.
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BESCHREIBUNG
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Baugruppen mit einem gegossenen Kern, wie hierin beschrieben, optimieren die Eigenschaften von Motor-Generator-Einheiten. Vorteilhafterweise können die beschriebenen Baugruppen verwendet werden, um das mit dem Motor-Generator verbundene Geräusch, das Fahrzeug und die Rauheit zu optimieren, die Optionen der im Motor-Generator integrierten Wicklungen zu optimieren, eine In-situ-Wicklungskühlung vorzusehen, eine reduzierte Gesamtgröße des Motor-Generators und eine reduzierte Teileanzahl für den Motor-Generator zu erreichen.
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Gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung beinhaltet eine Baugruppe für einen Motor-Generator Vorformwicklungen und einen gegossenen Kern. Die Vorformwicklungen beinhalten ein erstes Ende, ein zweites Ende und eine Vielzahl von Schlitzabschnitten, die sich vom ersten Ende bis zum zweiten Ende erstrecken. Der gegossene Kern beinhaltet eine Vielzahl von Schlitzen. Jeder der Vielzahl von Schlitzen beinhaltet einen entsprechenden Schlitzabschnitt der Vielzahl von darin angeordneten Schlitzabschnitten. Jeder der Vielzahl von Schlitzen beinhaltet eine Wand, die einem äußeren Profil des jeweiligen Schlitzabschnitts entspricht.
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Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung wird der gegossene Kern aus einem härtbaren Material gebildet, das ein Harz und einen ferromagnetischen Füllstoff beinhaltet.
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Nach weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist der ferromagnetische Füllstoff F errosilizium.
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Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist der gegossene Kern ein gegossener Statorkern, die Anordnung beinhaltet ferner mindestens eines von einem Gehäuse oder einem Abschnitt einer Statorbefestigungsanordnung, und das mindestens eine von dem Gehäuse oder dem Abschnitt der Statorbefestigungsanordnung ist ein Abschnitt einer Form, die zum Bilden des gegossenen Statorkerns verwendet wird.
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Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung wird das mindestens eine Gehäuse oder der Abschnitt der Statorbefestigungsanordnung mittels einer mechanischen Verriegelung am gegossenen Statorkern befestigt.
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Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung beinhaltet die Baugruppe weiterhin eine Vielzahl von Statorzähnen. Jeder der Vielzahl von Statorzähnen ist zwischen einem entsprechenden Paar von Statornuten aus der Vielzahl von Nuten angeordnet. Die Statorzähne beinhalten durchgehende Kühlleitungen.
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Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung beinhalten die Schlitzabschnitte eine erste Gruppe von Schlitzabschnitten und eine zweite Gruppe von Schlitzabschnitten. Die erste Gruppe von Schlitzabschnitten beinhaltet eine erste Anzahl von Leitern und die zweite Gruppe von Schlitzabschnitten eine zweite Anzahl von Leitern.
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Gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung beinhaltet ein Verfahren das Erhalten von Vorformwicklungen, das Platzieren der Vorformwicklungen in eine Form, das Einspritzen eines härtbaren Materials in die Form und das Härten des härtbaren Materials, um dadurch den gegossenen Statorkern um die Vorformwicklungen herzustellen. Die Vorformwicklungen beinhalten ein erstes Ende, ein zweites Ende und eine Vielzahl von Schlitzabschnitten, die sich vom ersten Ende bis zum zweiten Ende erstrecken. Die Form beinhaltet eine erste Oberfläche, die mindestens einem Abschnitt eines äußeren Umfangs eines gegossenen Statorkerns entspricht, und eine zweite Oberfläche, die mindestens einem Abschnitt eines inneren Umfangs des gegossenen Statorkerns entspricht. Das härtbare Material beinhaltet ein Harz und einen ferromagnetischen Füllstoff.
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Nach weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist der ferromagnetische Füllstoff F errosilizium.
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Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung beinhaltet die Form einen ersten Formabschnitt und einen zweiten Formabschnitt, wobei der erste Formabschnitt mindestens eines von einem Gehäuse oder einem Abschnitt einer Statorhalterungsanordnung ist, und wobei das Verfahren ferner das Entfernen des zweiten Formabschnitts beinhaltet, um dadurch eine Statoranordnung herzustellen.
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Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung wird das mindestens eine Gehäuse oder der Abschnitt der Statorbefestigungsanordnung mittels einer mechanischen Verriegelung am gegossenen Statorkern befestigt.
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Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung beinhaltet das Verfahren ferner das Entsorgen eines Vorläufers der Kühlleitung innerhalb der Form vor dem Härten des härtbaren Materials.
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Nach weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist der Vorläufer der Kühlleitung ein Opfermaterial. Das Verfahren beinhaltet ferner das Entfernen des Opfermaterials nach dem Härten des härtbaren Materials, so dass der gegossene Statorkern eine Kühlleitung darin definiert.
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Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist der Vorläufer der Kühlleitung ein Rohr mit einem ersten Abschnitt, der einen ersten Längengrad definiert, und einem zweiten Abschnitt, der einen zweiten Längengrad definiert. Der erste Abschnitt ist nicht parallel zum zweiten Abschnitt, und das Rohr ist kontinuierlich zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt.
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Gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung beinhaltet ein Fahrzeug eine elektrische Energiequelle und einen Motor-Generator, der funktional mit der elektrischen Energiequelle gekoppelt ist. Der Motor-Generator beinhaltet eine Statoranordnung mit Vorformwicklungen und einen gegossenen Statorkern. Die Vorformwicklungen beinhalten ein erstes Ende, ein zweites Ende und eine Vielzahl von Schlitzabschnitten, die sich vom ersten Ende bis zum zweiten Ende erstrecken. Der gegossene Statorkern beinhaltet eine Vielzahl von Statornuten. Jede der Vielzahl von Statornuten beinhaltet einen entsprechenden Schlitzabschnitt der Vielzahl von Schlitzabschnitten, die darin angeordnet sind. Jede der Vielzahl von Statornuten beinhaltet eine Wand, die einem Außenprofil des jeweiligen Schlitzabschnitts entspricht.
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Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung wird der gegossene Statorkern aus einem härtbaren Material gebildet, das ein Harz und einen ferromagnetischen Füllstoff beinhaltet.
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Nach weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist der ferromagnetische Füllstoff F errosilizium.
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Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung beinhaltet die Statoranordnung ferner mindestens eines von einem Gehäuse oder einem Teil einer Statorbefestigungsanordnung. Das mindestens eine Gehäuse oder der Abschnitt der Statorbefestigungsanordnung ist ein Abschnitt einer Form, die zum Bilden des gegossenen Statorkerns verwendet wird.
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Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung wird das mindestens eine Gehäuse oder der Abschnitt der Statorbefestigungsanordnung mittels einer mechanischen Verriegelung am gegossenen Statorkern befestigt.
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Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung beinhaltet der gegossene Statorkern weiterhin eine Vielzahl von Statorzähnen. Jede der Vielzahl von Statorzähnen ist zwischen einem entsprechenden Paar von Statornuten aus der Vielzahl von Statornuten angeordnet, und die Statorzähne beinhalten durch sie hindurch Kühlleitungen.
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Die oben genannten Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung der besten Modalitäten für die Durchführung der Offenbarung im Zusammenhang mit den beigefügten Figuren.
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Figurenliste
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Die Figuren sind illustrativ und dienen nicht dazu, den durch die Ansprüche definierten Gegenstand zu begrenzen. Exemplarische Aspekte werden in der folgenden ausführlichen Beschreibung erläutert und in den dazugehörigen Figuren dargestellt:
- 1 ist eine schematische Darstellung eines repräsentativen Fahrzeugs mit Stator- und Rotorbaugruppen gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
- 2 ist eine schematische Teilquerschnittsdarstellung einer Statoranordnung gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
- 3 ist eine schematische Teilquerschnittsdarstellung einer repräsentativen elektrischen Maschine mit dem gegossenen Statorkern von 2; und
- 4 ist ein Verfahren zur Herstellung von Stator- und Rotorbaugruppen gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Diese Offenbarung ist auslegbar für Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen. Repräsentative Ausführungsformen der Offenbarung sind in den Figuren dargestellt und werden hierin ausführlich beschrieben, mit dem Verständnis, dass diese Ausführungsformen als Beispiel für die offenbarten Prinzipien und nicht für Einschränkungen der allgemeinen Aspekte der Offenbarung dienen. Insofern sollten Elemente und Einschränkungen, die beispielsweise in den Abschnitten Zusammenfassung, Einführung, Beschreibung und detaillierte Beschreibung beschrieben, aber nicht ausdrücklich in den Ansprüchen dargelegt sind, nicht einzeln oder gemeinsam durch Implikation, Schlussfolgerung oder anderweitig in die Ansprüche aufgenommen werden.
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1 ist eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 10 mit einem Motor-Generator 12, der ausgelegt ist, um das Fahrzeug 10 allein und/oder in Kombination mit einer anderen Energiequelle, wie beispielsweise einem Motor 14, anzutreiben. Das Fahrzeug 10 kann beispielsweise ein Hybrid-Elektrofahrzeug, ein Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeug, ein reichweitenverlängertes Hybrid-Elektrofahrzeug, ein Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug, ein Brennstoffzellen-Hybrid-Elektrofahrzeug oder dergleichen sein. Das veranschaulichte Fahrzeug 10 beinhaltet einen Hybrid-Antriebsstrang mit dem Motor-Generator 12, dem Motor 14, einem Drehmomentwandler 16, einem Getriebe 18 und einem Achsgetriebe 20. Der Hybrid-Antriebsstrang kann beispielsweise parallele (z.B. P1-P4) Hybrid-Antriebsstränge, ein leistungsverzweigter („PS“) Hybrid-Antriebsstrang oder dergleichen sein.
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Der Motor-Generator 12 ist ausgelegt, um zwischen elektrischer Leistung und mechanischer Leistung zu konvertieren. Der Motor-Generator 12 kann selektiv betätigt werden, um das Fahrzeug 10 anzutreiben oder eine elektrische Energiequelle zu laden. Der Motor-Generator 12 ist funktional mit der elektrischen Energiequelle, wie beispielsweise dem Batteriepack 22, über die Leiter 24 gekoppelt, die ausgelegt sind, um dazwischen elektrische Energie zu übertragen.
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Der Motor-Generator 12 ist ebenfalls funktional mit einem Getriebeeingang 26 über einen Motorausgang 28 gekoppelt, der ausgelegt ist, um dazwischen mechanische Energie zu übertragen. Wie im Folgenden unter Bezugnahme auf 2 näher erläutert, beinhaltet der Motor-Generator 12 einen Rotorkörper 202 und eine Statoranordnung 204 innerhalb eines Motorkörpers. In einigen Aspekten weist das Fahrzeug 10 einen einzelnen Motor-Generator 12 auf, während in anderen Aspekten das Fahrzeug 10 eine Vielzahl von Motor-Generatoren 12 aufweist.
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Der Motor 14 ist ausgelegt, um einen Kraftstoff zu verbrennen, um mechanische Leistung zu erzeugen. Der Motor 14 kann ein geeigneter Verbrennungsmotor sein, wie beispielsweise ein Zwei- oder Viertakt-Dieselmotor mit Selbstzündung oder ein Viertakt-Otto- oder Flex-Fuel-Motor, der leicht angepasst ist, um seine verfügbare Leistung typischerweise bei einer Reihe von Umdrehungen pro Minute (U/min) bereitzustellen. In einigen Aspekten hat das Fahrzeug 10 einen einzelnen Motor 14, während in anderen Aspekten das Fahrzeug 10 eine Vielzahl von Motoren 14 beinhaltet.
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Im dargestellten Beispiel ist der Motor 14 mit einer Motortrennkupplung 30 gekoppelt. Die Motortrennkupplung 30 ist ausgelegt, um selektiv betätigt zu werden, um dadurch das vom Motor 14 empfangene Drehmoment an eine Eingangsstruktur des Drehmomentwandlers 16 zu übertragen.
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Der Drehmomentwandler 16 ist ausgelegt, um das abgegebene Drehmoment basierend auf Drehzahldifferenzen pro Minute (U/min) von Ein- und Ausgang zu optimieren. So kann beispielsweise der Drehmomentwandler 16 eine hydrokinetische Vorrichtung sein, die ausgelegt ist, um das Drehmoment zu erhöhen, das beispielsweise vom Motor 14 oder Motor-Generator 12 empfangen wird, z.B. wenn die Leistung bei einer niedrigeren Drehzahl liegt. Zusätzlich oder alternativ kann der Drehmomentwandler 16 eine selektiv betätigbare mechanische Vorrichtung, wie beispielsweise eine Überbrückungskupplung, beinhalten, um eine mechanische Kupplung zwischen dem Eingang und Ausgang des Drehmomentwandlers 16 zu bilden.
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Das Getriebe 18 ist ausgelegt, um Leistung von Triebwerken, wie beispielsweise dem Motor-Generator 12 und/oder dem Motor 14, zu empfangen, die empfangene Leistung selektiv zu manipulieren, beispielsweise durch Auswählen eines aus einer Vielzahl von Übersetzungsverhältnissen, und die manipulierte Leistung auf den Achsantrieb 20 zu verteilen. Das Getriebe 18 kann beispielsweise ein Automatikgetriebe, ein Schaltgetriebe, ein stufenloses Getriebe, Kombinationen davon und dergleichen sein.
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Das Kraftübertragung 18 kann ein Differentialgetriebe 32 verwenden, um selektiv variable Drehmoment- und Drehzahlverhältnisse zwischen dem Getriebeeingang 26 und der Antriebswelle 36 zu erreichen. So kann beispielsweise das Differentialgetriebe 32 eine epizyklische Planetengetriebeanordnung sein.
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Hydraulisch betätigte Drehmomentaufnahmevorrichtungen, wie Kupplungen und Bremsen (zusammen und/oder einzeln als „Kupplung“ bezeichnet), sind über eine Hydraulikpumpe 34 selektiv einrastbar, um das vorgenannte Differentialgetriebe zu aktivieren, um gewünschte Vorwärts- und Rückwärtsdrehzahlen zwischen dem Getriebeeingang 26 und der Antriebswelle 36 des Getriebes 18 zu erreichen.
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Der Achsantrieb 20 ist ausgelegt, um ein oder mehrere Räder 38 des Fahrzeugs mit Drehmoment zu versorgen. In einigen Aspekten ist das Achsgetriebe 20 über die Antriebswelle 36 direkt mit dem Getriebe 18 gekoppelt, so dass die Leistung des Motor-Generators 12 und/oder des Motors 14 über das Getriebe 18 auf ein oder mehrere der Räder 38 übertragen werden kann. Das Achsgetriebe 20 kann z.B. ein Differential sein. Der Achsantrieb 20 kann zahlreiche Konfigurationen annehmen, darunter Vorderradantrieb, Hinterradantrieb, Vierradantrieb, Allradantrieb, etc.
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Eine oder mehrere der dargestellten Antriebsstrangkomponenten können von einer fahrzeugseitigen oder ferngesteuerten Steuerung betätigt oder betrieben werden, wie beispielsweise einer programmierbaren elektronischen Steuereinheit, die so konstruiert und programmiert ist, dass sie unter anderem den Betrieb des Motors 14, des Motor-Generators 12, des Getriebes 18, des Drehmomentwandlers 16, der Kupplungen, ihrer Kombinationen und dergleichen steuert. Steuermodul, Modul, Steuerung, Steuereinheit, Prozessor und Permutationen davon können so definiert sein, dass sie eine oder mehrere Kombinationen einer oder mehrerer logischer Schaltungen, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs), elektronische Schaltungen, Zentraleinheit(en) (z.B, Mikroprozessoren)) und zugehöriger Speicher und Speicher (z.B. nur lesend, programmierbar nur lesend, wahlfrei, Festplatte, greifbar, etc.)), kombinatorische Logikschaltung(en), Ein-/Ausgabeschaltung(en) und Vorrichtungen, etc., unabhängig davon, ob sie resident, remote oder eine Kombination aus beidem sind. Die vorgenannte Hardware kann ausgelegt werden, um eine oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme oder Routinen auszuführen, z.B. unter Verwendung geeigneter Signalkonditionierungs- und Pufferschaltungen und anderer Komponenten, um die beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Software, Firmware, Programme, Anweisungen, Routinen, Code, Algorithmen und ähnliche Begriffe können definiert werden, um steuerungsausführbare Befehlssätze, einschließlich Kalibrierungen und Nachschlagetabellen, zu bezeichnen. Eine elektronische Steuereinheit kann mit einer Reihe von Steuerroutinen ausgestattet sein, die ausgeführt werden, um die gewünschten Funktionen bereitzustellen. Steuerroutinen werden beispielsweise von einer zentralen Verarbeitungseinheit ausgeführt und sind betreibbar, um Eingänge von Abtastgeräten und anderen vernetzten Steuermodulen zu überwachen und Steuer- und Diagnoseroutinen auszuführen, um den Betrieb von Geräten und Stellgliedern zu steuern. Routinen können in Echtzeit, kontinuierlich, systematisch, sporadisch und/oder in regelmäßigen Abständen während des laufenden Fahrzeugbetriebs ausgeführt werden. Alternativ können Routinen als Reaktion auf das Auftreten eines Ereignisses während des Betriebs des Fahrzeugs 10 ausgeführt werden.
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Unter Bezugnahme auf die 2 und 3 sind nun Teile des Motor-Generators 12 dargestellt. Der Motor-Generator 12 beinhaltet den Rotorkörper 202, der von der Statoranordnung 204 umschrieben und konzentrisch zu dieser angeordnet ist. Die elektrische Energieversorgung der Statorbaugruppe 204 erfolgt über elektrische Leiter 24, die den Motorkörper in geeigneten Dicht- und Isolierdurchführungen (nicht dargestellt) durchlaufen, um dadurch eine Drehbewegung des Rotorkörpers 202 zu erzeugen. Umgekehrt kann dem Rotorkörper 202 mechanische Energie zugeführt werden, um einen Strom in der Statorbaugruppe 204 zu induzieren und damit der elektrischen Energiequelle elektrische Energie zuzuführen, z.B. durch regenerative Abschaltung.
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Der Rotorkörper 202, beispielsweise ein Kurzschlussläufer, ist um die Motor-Generatorwelle 208 herum angeordnet und kann verzahnt, befestigt, gesichert oder anderweitig drehfest daran befestigt werden. Der Rotorkörper 202 definiert im Allgemeinen einen verkürzten rechten Rundzylinder. Der Rotorkörper 202 beinhaltet einen gegossenen Rotorkern 214. Der gegossene Rotorkern 214 wird an Ort und Stelle um die Vorformwicklungen 242 gebildet. Wie hierin verwendet, wird an Ort und Stelle gebildet, um anzuzeigen, dass Abschnitte der Vorformwicklungen 242 innerhalb von Schlitzen des gegossenen Rotorkerns 214 strukturiert und positioniert sind, bevor der gegossene Rotorkern 214 um sie herum gebildet wird. Vorteilhaft ist, dass der gegossene Rotorkern 214 verwendet werden kann, um den Wirkungsgrad des Motor-Generators 12 zu optimieren, z.B. durch Reduzierung der Bewegungswicklungen bei Reaktion auf einen induzierten Strom. Zusätzlich oder alternativ reduzieren oder entfernen die Vorformwicklungen 242 und der gegossene Rotorkern 214 mögliche Nachteile oder Defekte beim Einsetzen von Wicklungen in vordefinierte Rotorschlitze oder vorgezogene Rotorsegmente. Die Vorformwicklungen 242 sind um die Motor-Generatorwelle 208 herum zwischen der Motor-Generatorwelle 208 und einer Umfangskante 218 des Rotorkörpers 202 angeordnet.
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Die Statoranordnung 204 ist koaxial zum Rotorkörper 202 und umschließt diesen, wobei ein kleiner Zwischenraum 206 eingehalten wird. In einigen Aspekten liegt der Raum 206 zwischen etwa 0,2 mm und etwa 1,0 mm. Vorteilhaft ist, dass die hierin beschriebene Statorbaugruppe 204 zusätzliche Freiheitsgrade bei der magnetischen, thermischen und mechanischen Auslegung des Motor-Generators 12 im Vergleich zu beispielsweise laminierten Magnetstählen vorsieht.
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Die Statoranordnung 204 ist im Allgemeinen entlang einer Längsachse des Rotorkörpers 202 ringförmig und beinhaltet einen gegossenen Statorkern 240, der um die Vorformwicklungen 242 herum geformt ist (z.B. 3). Wie hierin verwendet, wird an Ort und Stelle gebildet, um anzuzeigen, dass Abschnitte der Vorformwicklungen 242 innerhalb des gegossenen Statorkerns 240 strukturiert und positioniert sind, bevor der gegossene Statorkern 240 um sie herum gebildet wird. Vorteilhaft ist, dass der gegossene Statorkern 240 verwendet werden kann, um das Geräusch, die Vibration und die Härte des Motor-Generators 12 zu optimieren, beispielsweise durch Reduzierung der Bewegung oder Vibration der Wicklungen. Zusätzlich oder alternativ reduzieren oder entfernen die Vorformwicklungen 242 und der gegossene Statorkern 240 mögliche Nachteile oder Defekte beim Einsetzen von Wicklungen in vordefinierte Statornuten.
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Die Vorformwicklungen 242 sind ausgelegt, um elektrische Energie von einer elektrischen Energiequelle zu empfangen, um dadurch ein Magnetfeld zu erzeugen, das eine Drehung des Rotorkörpers 202 erzeugt und/oder um der elektrischen Energiequelle elektrische Energie aus einem durch Drehung des Rotorkörpers 202 induzierten Strom zuzuführen. Die Vorformwicklungen 242 beinhalten ein erstes Ende 244, ein zweites Ende 246 und eine Vielzahl von Schlitzabschnitten 248 dazwischen. Eine Vielzahl von Leitern 250 durchqueren das erste Ende 244, das zweite Ende 246 und die Vielzahl von Schlitzabschnitten 248 der Vorformwicklungen 242, um die elektrische Energie hindurch zu übertragen. Die Leiter 250 können aus einem geeigneten elektrisch leitfähigen Material wie Kupfer oder Aluminium gebildet werden und können verseilt, geformt, gehaarnadelt, stabgewickelt, Kombinationen davon und dergleichen sein.
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Die Schlitzabschnitte 248 können eine gewünschte Anzahl von leitenden Schichten, Bahnen, Litzen, Materialien, Kombinationen davon und dergleichen beinhalten. Jeder der Schlitzabschnitte 248 durchläuft eine entsprechende Statornut 252 der Statoranordnung 204. Vorteilhafterweise ermöglicht der gegossene Statorkern 240, wie hierin beschrieben, einen ersten der Schlitzabschnitte 248, um eine erste Anzahl von Schichten, Pfaden oder Litzen zu beinhalten, während ein zweiter der Schlitzabschnitte 248 eine zweite Anzahl der Schichten, Pfade oder Litzen beinhaltet, während er dennoch die hierin beschriebenen Vorteile bietet.
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Vorteilhaft ist, dass die Verwendung von Vorformwicklungen 242 eine effizientere Wicklung ermöglicht, indem bestimmte Spielbeschränkungen beseitigt oder reduziert werden. So können beispielsweise Werkzeuge zum Bilden der Wicklungen den gesamten Raum zwischen benachbarten Schlitzabschnitten 248 ausnutzen.
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Der gegossene Statorkern 240 ist ausgelegt, um die Vorformwicklungen 242 während des Betriebs des Motor-Generators 12 strukturell zu stützen, und kann ferner ausgelegt werden, um das von den Vorformwicklungen 242 erzeugte elektromagnetische Feld zu optimieren. Der gegossene Statorkern 240 kann z.B. im Umspritzen geformt werden. Der gegossene Statorkern 240 beinhaltet eine Vielzahl von Statorzähnen 254 und eine Vielzahl von Statorjochen 256.
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Die Statorjoche 256 sind nahe einem Außenumfang des gegossenen Statorkerns 240 angeordnet. Jedes Statorjoch 256 erstreckt sich zwischen benachbarten Paaren von Statorzähnen 254, wobei das Statorjoch 256 und das jeweilige Paar von Statorzähnen 254 gemeinsam eine Statornut 252 definieren. Die Statorzähne 254 und das Statorjoch 256 können bemessen und geformt werden, um die gewünschten elektromagnetischen Eigenschaften des gegossenen Statorkerns 240 zu erreichen.
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Die Statorzähne 254 helfen bei der Reduzierung oder Beseitigung von Drehmomentwelligkeit und/oder Wechselstromverlusten. Jeder der Vielzahl von Statorzähnen 254 erstreckt sich radial zur Mitte des Motor-Generators 12. Wie in 2 zu sehen ist, beinhaltet jeder Statorzahn 254 eine Lippe 258 an einem Ende nahe der Mitte des Motor-Generators 12.
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Vorteilhaft ist, dass die Lippen 258 des gegossenen Statorkerns 240 ausgelegt werden können, um die Vorformwicklungen 242 strukturell zu stützen, indem sie direkt mit den Vorformwicklungen 242 in Kontakt gebracht werden (z.B. die Schlitzabschnitte 248 ohne Keil oder elastisches Element dazwischen kontaktieren).
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Zwischen den Lippen 258 der benachbarten Statorzähne 254 besteht ein Spalt 260. Vorteilhaft ist, dass der Spalt 260 ohne Berücksichtigung der Dimensionierung der Leiter 250 oder der Schlitzabschnitte 248 dimensioniert und geformt werden kann, um die gewünschten Eigenschaften des Magnetfeldes zu erreichen. In einigen Aspekten wird der Spalt 260 von mindestens einem der Leiter 250 belegt. Vorteilhaft ist, dass eine solche Konfiguration einen Abstand zwischen den Schlitzabschnitten 248 und dem Rotorkörper 202 reduziert. In einigen Aspekten ist der Spalt 260 kleiner als einer der Leiter 250. Vorteilhafterweise kann der Spalt 260, der kleiner als einer der Leiter 250 ist, verwendet werden, um optimierte magnetische Eigenschaften wie den magnetischen Fluss zu erreichen. In einigen Aspekten existiert kein Spalt, so dass benachbarte Statorzähne am Ende in der Nähe der Mitte des Motorgenerators verbunden sind. Vorteilhaft ist, dass die Abwesenheit eines Spaltes genutzt werden kann, um die magnetischen Eigenschaften zu optimieren oder strukturelle Unterstützung zu bieten.
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In einigen Aspekten wird der gegossene Statorkern 240 aus einem härtbaren Material mit einem fließfähigen Zustand und einem gehärteten Zustand gebildet. In einigen Aspekten beinhaltet das härtbare Material ein Harz mit einem darin dispergierten ferromagnetischen Füllstoff. Das Harz kann beispielsweise ein Phenol- oder Epoxidharz sein.
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In einigen Aspekten wird das Harz so ausgewählt, dass es eine niedrige Aushärtetemperatur aufweist und gleichzeitig eine niedrige Viskosität und eine hohe thermische Belastbarkeit aufweist. Wie hierin verwendet, bezeichnet „niedrige Aushärtetemperatur“ eine Temperatur, die ausreichend niedrig ist, um einen Kurzschluss zwischen einzelnen Leitern 250 innerhalb der Schlitzabschnitte 248 zu verhindern oder zu hemmen. So kann beispielsweise die Aushärtetemperatur so gewählt werden, dass eine Beschädigung einer isolierenden Beschichtung der Schlitzabschnitte 248 verhindert wird. Weiterhin bedeutet „niedrige Viskosität“, wie hierin verwendet, eine Viskosität, die es ermöglicht, das Harz bei Prozesstemperatur um die Preform-Schlitzabschnitte 248 herum in die gewünschte Form zu bringen (z.B. ausreichend niedrig, damit das Harz um die Preform-Schlitzabschnitte 248 gespritzt werden kann). So kann beispielsweise das Harz bei der Messung mit ASTM D3123 eine Fließlänge zwischen 100 und 110 cm aufweisen. Wie hierin verwendet, bedeutet „hohe thermische Belastbarkeit“ auch eine thermische Belastbarkeit, die ausreicht, um die Verformung oder Degradation der Harzmatrix bei Betriebstemperaturen zu verhindern oder zu verhindern. So kann beispielsweise die thermische Belastbarkeit vor der Verformung über 150°C, vor der Verformung über 180°C oder vor der Verformung über 220°C liegen.
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Der ferromagnetische Füllstoff wird in das Harz integriert, um eine homogene Verteilung zu gewährleisten und die Benetzbarkeit der Oberflächen durch das Harz zu optimieren. So kann beispielsweise der ferromagnetische Füllstoff Beschichtungen und/oder Oberflächenbehandlungen beinhalten, um die Wechselwirkung zwischen dem ferromagnetischen Füllstoff und dem Harz zu optimieren. Der ferromagnetische Füllstoff wird so ausgewählt, dass er eine gewünschte Flussdichte innerhalb des gegossenen Statorkerns 240 bereitstellt. In einigen Aspekten weist der ferromagnetische Füllstoff eine dicht gepackte Struktur auf, wie beispielsweise mehr als 66% belegte Fläche. In einigen Aspekten weist der ferromagnetische Füllstoff mehr als etwa 74% belegte Fläche auf. So kann beispielsweise der ferromagnetische Füllstoff eine flächenzentrierte kubische Struktur, eine kubische, am nächsten liegende Füllstruktur, eine hexagonale, am nächsten liegende Füllstruktur oder Kombinationen davon aufweisen.
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In einigen Aspekten ist der ferromagnetische Füllstoff eine binäre Legierung. Wie durch den Fachmann anerkannt, wird, wie hierin verwendet, der Begriff „binäre Legierung“ verwendet, um anzuzeigen, dass die Legierung im Wesentlichen aus zwei ausgewählten Elementen besteht, aber auch eine Menge an Verunreinigungen beinhalten kann, wie beispielsweise Spuren von ähnlichen Elementen, die nicht weiter entfernt werden können. In einigen Aspekten ist der ferromagnetische Füllstoff eine binäre Legierung aus Eisen und Silizium. So kann beispielsweise der ferromagnetische Füllstoff Ferrosilizium (FeSi) sein.
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Die Statornuten 252 sind in Umfangsrichtung um den gegossenen Statorkern 240 angeordnet. Jede der Statornuten 252 umschließt im Allgemeinen eine der jeweiligen der Schlitzabschnitte 248. Wie in 2 zu sehen ist, beinhaltet jede der Statornuten 252 die Wände 262, die mit den jeweiligen Schlitzabschnitten 248 in Kontakt stehen. Vor dem Aushärten befindet sich das härtbare Material im fließfähigen Zustand, so dass das Harz und der ferromagnetische Füllstoff dem Außenprofil des jeweiligen Schlitzabschnitts 248 entsprechen. Nach dem Aushärten befindet sich das härtbare Material im ausgehärteten Zustand, so dass die Wände 262 der Statornuten 252 durch das Außenprofil des jeweiligen Schlitzabschnitts 248 definiert sind.
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Vorteilhaft ist, dass das Außenprofil der die Wände 262 der jeweiligen Statornut 252 definierenden Schlitzabschnitte 248 eine strukturelle Verstärkung der Vorformwicklungen 242 bewirkt (z.B. Verhinderung der Drehung der Schlitzabschnitte 248 um eine Achse davon). Diese Verstärkung optimiert die Langlebigkeit der Vorformwicklungen 242 und/oder optimiert die Steuerung und zeitliche Kontinuität des Magnetfeldes im Motor-Generator 12.
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Der direkte Kontakt zwischen den Vorformwicklungen 242 und dem gegossenen Statorkern 240 optimiert die Wärmeabfuhr aus den Nutabschnitten 248 durch Wärmeleitung. Darüber hinaus sorgt die Anpassung des Harzes und des ferromagnetischen Füllstoffs an das Außenprofil der jeweiligen Schlitzabschnitte 248 für einen höheren Leiterfüllfaktor, als dies bei nicht vergossenen Statorkernen möglich ist.
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In einigen Aspekten beinhaltet der gegossene Statorkern 240 weiterhin Kühlleitungen, die darin angeordnet sind. Die Kühlleitungen 264 sind so ausgelegt, dass sie ein Kühlfluid enthalten, um Wärme aus dem gegossenen Statorkern 240 und den Vorformwicklungen 242 abzuführen. Die Kühlleitungen 264 können so ausgelegt werden, dass sie aktiv kühlen, beispielsweise über einen Kühlmittelkreislauf mit einer Pumpe, durch die das Kühlmittel strömt, oder passiv kühlen, beispielsweise über Heatpipe. Die Kühlflüssigkeit kann beispielsweise polare oder unpolare Flüssigkeiten wie Wasser oder Öl sein.
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Die Kühlleitungen 264 können durch permanente Werkzeuge oder „sacrificial tooling“ gebildet werden. So können beispielsweise Rohrleitungen oder ein Opfermaterial in Bezug auf die Vorformwicklungen 242 vor der Bildung des gegossenen Statorkerns 240 platziert werden. Vorteilhaft ist, dass die Kühlleitungen 264 Bahnen bilden können, die physikalisch nicht in laminierten Statoren gebildet werden können (z.B. Bahnen mit abgewinkelten Abschnitten oder Bahnen, die durch das Statormaterial definiert sind).
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Vorteilhaft ist, dass die Kühlleitungen 264 innerhalb der Statorzähne 254 angeordnet werden können, um die Wärmeübertragung zu optimieren. Zusätzlich oder alternativ können die Kühlleitungen 264 ausgelegt werden, um auch die Endwicklungen zu kühlen. Vorteilhafterweise können Kühlleitungen 264 zur Kühlung sowohl der Endwicklungen als auch der Schlitzabschnitte 248 einheitlich sein (z.B. keine Fittings oder Dichtungen zwischen Teilen der Kühlleitung 264 entsprechend den Endabschnitten und Teilen der Kühlleitung 264 entsprechend den Schlitzabschnitten), wodurch die Langlebigkeit der Statoranordnung 204 optimiert wird.
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Unter Bezugnahme auf 4 ist ein Verfahren 400 zum Bilden des Motor-Generators 12 dargestellt. Das Verfahren 400 beinhaltet das Erhalten von 402 der Vorformwicklungen 242, das Platzieren von 404 der Vorformwicklungen 242 in eine Form, das Einspritzen von 406 des härtbaren Materials in die Form, das Härten von 408 des härtbaren Materials, um dadurch den gegossenen Statorkern 240 um die Vorformwicklungen 242 herzustellen.
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Die Form beinhaltet eine erste Oberfläche, die mindestens einem Abschnitt eines äußeren Umfangs des gegossenen Statorkerns 240 entspricht, und eine zweite Oberfläche, die mindestens einem Abschnitt eines inneren Umfangs des gegossenen Statorkerns 240 entspricht. In einigen Aspekten beinhaltet die zweite Oberfläche erste Merkmale, die den Statorlippen 258 entsprechen, und/oder zweite Merkmale, die den Spalten 260 zwischen benachbarten Statorzähnen 254 entsprechen.
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Das härtbare Material wird in die Form eingespritzt, so dass das Harz und der ferromagnetische Füllstoff der ersten Oberfläche der Form, der zweiten Oberfläche der Form und jedem freiliegenden Umfang von mindestens einem der Schlitzabschnitte 248 entsprechen. Zusätzlich oder alternativ kann das Verfahren 400 verwendet werden, um den Rotorkörper 202 in ähnlicher Weise zu bilden.
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In einigen Aspekten beinhaltet das Verfahren 400 ferner das Entfernen der Form aus dem gegossenen Statorkern 240 und den Vorformwicklungen 242 nach dem Härten 408, um dadurch die Statoranordnung 204 herzustellen. In einigen Aspekten bleibt ein erster Abschnitt der Form an Ort und Stelle als mindestens eines von einem Gehäuse oder einem Abschnitt einer Statorbefestigungsanordnung, so dass das Verfahren 400 ferner das Entfernen von 410, nach dem Härten von 408, eines zweiten Abschnitts der Form beinhaltet, um dadurch die Statoranordnung 204 herzustellen. In einigen Aspekten beinhaltet der erste Abschnitt der Form weiterhin Vorsprünge auf der ersten Oberfläche, so dass die Vorsprünge mechanische Verriegelungen mit dem gegossenen Statorkern 240 bilden. Wie hierin verwendet, werden „mechanische Verriegelungen“ verwendet, um anzuzeigen, dass die mechanische Verriegelung zwei Komponenten während des Betriebs des Motor-Generators in drei Dimensionen zueinander fixiert.
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Vorteilhaft ist, dass Querschnittsprofile des gegossenen Rotorkerns 214 und/oder des gegossenen Statorkerns 240 sowie die ferromagnetische Füllstoffbelastung innerhalb der Harzmatrix angepasst werden können, um die Eigenschaften des Rotorkörpers 202 und der Statorbaugruppe 204, wie Permeabilität, Kernverluste und Sättigungsfluss, bereitzustellen und einzustellen. Darüber hinaus können die Vorformwicklungen 242 ohne Schweißnähte geformt werden. Diese Formation reduziert Fertigungsprozesse und -kosten sowie elektrische Verluste durch das Schweißgut und Schnittstellen zwischen der Schweißnaht und den Leitern.
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Vorteilhaft ist, dass die gegossenen Kerne das Abfallmaterial reduzieren, indem sie das Stanzen und Beschneiden von Kaschierungen aus Plattenmaterial überflüssig machen. Darüber hinaus reduzieren die gegossenen Kerne die für die Bildung des Rotors und/oder Stators erforderlichen Werkzeuge, indem sie die Bildung des gegossenen Rotorkerns 214 und des gegossenen Statorkerns 240 ohne Montage von Lamellen ermöglichen.
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Vorteilhaft ist, dass der hierin beschriebene Motor-Generator 12 hinsichtlich der Wicklungsart (konzentrierte Wicklungen und/oder verteilte Wicklungen) und der Nut-Pol-Kombinationen agnostisch ist. Vorteilhafterweise können Komponenten der Statorbaugruppe 204, wie beispielsweise das Statorgehäuse oder die Statorbefestigungsbaugruppe, in die Struktur des gegossenen Statorkerns 240 eingebettet werden. Eine solche Einbettung und Integration optimiert die Fertigung der Statorbaugruppe 204.
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Wie dem Fachmann bekannt ist, ist der gegossene Rotorkern 214 und/oder der gegossene Statorkern 240 auf verschiedene Arten von Radialflussmaschinen anwendbar, wie zum Beispiel Synchron- oder Induktionsmotor-Generatoren.
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Während die oben beschriebenen Ausführungsformen in Bezug auf einen Induktionsmotor beschrieben wurden, wird ein Fachmann erkennen, dass die oben beschriebenen Konzepte auf andere Arten von Motor-Generatoren anwendbar sind, wie z.B. Reluktanz oder permanentmagnetische Motor-Generatoren.
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Während die oben beschriebenen Ausführungsformen in Bezug auf eine Innenläufer-Konfiguration beschrieben wurden, wird erwogen, dass der Motor-Generator 12 eine Außenläufer-Konfiguration sein kann, ohne von den Merkmalen und Vorteilen der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
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Während die besten Ausführungsformen für die Durchführung der Offenbarung ausführlich beschrieben wurden, werden diejenigen, die mit der Fachgebiet, auf die sich diese Offenbarung bezieht, vertraut sind, verschiedene alternative Designs und Ausführungsformen für die Ausübung der Offenbarung im Rahmen der beigefügten Ansprüche erkennen.
